协调克拉通岩石圈的地震学模型与热化学模型

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Reconciling Seismic and Thermo-Chemical Models of Cratonic Lithosphere

古陆核地幔深部剪切波速异常的地震反演研究显示，100-150公里深度处的速度峰值并非必要，常规地幔橄榄岩组成与导热地温模型可充分解释表面波数据，消除对异常成分或温度变化的误解。

　　

摘要

大多数已发表的全球和区域剪切波（$V_S$）速度模型都显示，克拉通（cratons）中的剪切波速度随着深度的增加而增加，这一现象在莫霍面（Moho）以下100–150公里深度处达到最大值。这一特征长期以来一直存在争议，因为这似乎需要温度随深度的降低（这在现实中不太可能），或者需要存在大量的非橄榄岩质物质（如榴辉岩、钻石或变质岩）的层状结构。在这里，我们收集了全球克拉通的瑞利波（Rayleigh waves）和洛夫波（Love waves）的相速度曲线数据集，包括所有克拉通的平均值、南部非洲地区的平均值以及其他地区的站间测量数据。我们通过热力学和纯地震学反演方法进行分析，发现数据并不支持莫霍面以下剪切波速度随深度增加的现象。具有平衡状态、导热性的岩石圈地温以及普通橄榄岩成分的模型能够完全解释这些表面波数据。模型空间映射量化了莫霍面附近与100–150公里深度处地震速度之间的强烈矛盾，这是造成这种模糊性的原因。大多数地震模型中剪切波速度随深度增加的现象主要是由于正则化处理对偏离全球平均参考模型的惩罚；而未考虑的径向各向异性也可能导致类似的偏差，因为径向各向异性与瑞利波速度之间存在权衡。

通俗语言总结

克拉通（地球大陆的古老核心）的热结构和成分结构为它们的形成过程提供了线索，并且这些结构在多次构造循环中得以保存。这种结构通常只能通过地震数据间接推断出来。然而，使用地震波建立的模型显示，在100至150公里深度处存在一个意外的速度峰值。这令人惊讶，因为这意味着这些克拉通要么需要变得更冷，要么由某些不寻常的岩石类型组成，其中一个假设是在该深度存在大量的钻石。然而，这些关于温度和成分的模型通常依赖于对非唯一地震数据的解释。通过直接利用地震数据对温度和成分进行建模，我们发现克拉通中并不需要这种不寻常的温度或成分，常规的（橄榄岩）成分和预期的（导热性）热结构同样能够解释这些数据。这一结论适用于全球所有克拉通的平均情况，以及我们测试的每一个单独的克拉通。我们还发现，所选择的背景（参考）模型可能会导致地震模型中出现这个速度峰值，同样，如果忽略不同偏振方向的地震波速度之间的差异，也可能产生类似的结果。

关键点

• 地震数据并不要求克拉通剪切波速度从莫霍面开始随深度增加；这种增加可能是由于参考模型的选择造成的

• 克拉通的瑞利波和洛夫波色散曲线可以通过不需要考虑成分分层或温度降低的方式来共同拟合

• 克拉通的地震数据和捕虏体地球化学数据都可以通过导热性的岩石圈地温以及橄榄岩质地幔来很好地解释

利益冲突

作者声明与本研究无关的利益冲突。

数据可用性声明

本分析中使用的色散曲线可通过Zenodo在线获取，网址为：https://doi.org/10.5281/zenodo.13742312（Davison, 2024）。图表使用Matplotlib 3.8.4版本绘制（Caswell等人，2021；Hunter，2007）。

支持信息中的参考文献

• Ho, T., Priestley, K., & Debayle, E. (2016). 基于多模洛夫波测量的上地幔全球水平剪切波速度模型. 《国际地球物理杂志》, 207(1, 542–561. https://doi.org/10.1093/gji/ggw292
  10.1093/gji/ggw292

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